JP4209253B2 - フッ素添加カーボン膜の形成方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本名発明は、絶縁膜の形成方法に係り、特にはフッ素添加カーボン膜の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体装置の高性能化に伴い、半導体装置の配線間の浮遊容量を低減して半導体装置の動作速度を高速化することが試みられている。配線間の浮遊容量を低減するには、例えば半導体装置の配線間に形成される層間絶縁膜に、誘電率の低い材料を用いる方法がとられている。
【０００３】
前記した層間絶縁膜には、比誘電率が４程度であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）が用いられてきたが、近年は比誘電率が３〜３．５程度のフッ素添加シリコン酸化膜（ＳｉＯＦ膜）を用いることで、半導体装置の高速化が図られてきた。
【０００４】
しかし、前記したＳｉＯＦ膜では比誘電率を低下させることに限界があり、比誘電率３以下を達成するのは困難であった。
【０００５】
比誘電率が低い、いわゆる低誘電率層間絶縁膜には様々な候補材料があるが、比誘電率が低く、かつ半導体装置に用いるに耐えうる機械的強度を持つことが必要条件である。そこで、十分な機械的強度を持ち、かつ比誘電率が２．５程度、もしくはそれ以下にすることが可能であるフッ素添加カーボン膜（ＣＦ膜）が着目され、次世代の低誘電率層間絶縁膜としてとして半導体装置に用いる試みが行われてきた。
【０００６】
【特許文献１】
ＷＯ９９／３５６８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記したフッ素添加カーボン膜を半導体装置の層間絶縁膜として用いる場合、フッ素添加カーボン膜と当該フッ素添加カーボン膜の下地との密着力が弱いという問題があった。
【０００８】
図１（Ａ）〜（Ｃ）には、シリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）上にフッ素添加カーボン膜を形成する場合の例を示す。フッ素添加カーボン膜を半導体装置の層間絶縁膜として用いる場合、当該半導体装置の配線層であるＣｕ層のキャップ層であるＳｉＮ膜の上にフッ素添加カーボン膜を成膜する場合が多い。
【０００９】
図１（Ａ）を参照するに、図示しない被処理基板上に、ＳｉＮ膜１０１が形成されている。また、前記ＳｉＮ膜１０１上には、前記ＳｉＮ膜１０１と比べて非常に薄く、例えば水分、有機物、自然酸化膜などからなる付着層１０２が形成されている。前記付着層１０２は、例えば、前記ＳｉＮ膜１０１が形成された後に被処理基板を大気に曝すなどして形成されてしまうことが多い。
【００１０】
次に図１（Ｂ）において、例えばプラズマＣＶＤ（化学気相堆積）法などによってフッ素添加カーボン膜１０３を形成する。
【００１１】
しかし、前記したように、ＳｉＮ膜１０１上には付着層１０２が存在するため、図１（Ｃ）に示すように、前記フッ素添加カーボン膜１０３が前記付着層１０２と共に前記ＳｉＮ膜１０１より剥離してしまう、もしくは前記フッ素添加カーボン膜１０３が前記付着層１０２より剥離してしまう場合が生じる。
【００１２】
また、前記フッ素添加カーボン膜１０３の形成直後には前記したような剥離が生じない場合でも、例えば半導体装置の製造工程には、熱応力がかかる熱処理工程や、さらにはせん断応力などがかかるＣＭＰ（化学機械研磨）の工程などにおいてフッ素添加カーボン膜が剥離してしまう場合があり、このような要求を満足する、下地膜とフッ素添加カーボン膜との十分な密着力を確保するのが困難であった。
【００１３】
また、密着力を確保するために前記付着層１０２を除去する場合、例えばプラズマ処理装置によるスパッタエッチングで除去する方法がある。しかし、スパッタエッチングのイオン衝撃によって、フッ素添加カーボン膜の下地膜となる前記ＳｉＮ膜１０１がダメージをうけてしまうという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明では上記の課題を解決したフッ素添加カーボン膜の形成方法を提供することを目的としている。
【００１５】
本名発明の具体的な課題は、フッ素添加カーボン膜の下地膜にダメージを与える事無く、フッ素添加カーボン膜と前記下地膜との密着力を良好にする、フッ素添加カーボン膜の形成方法を提供することである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の課題を解決するために、
請求項１に記載したように、
被処理基板上にフッ素添加カーボン膜を形成するフッ素添加カーボン膜の形成方法であって、
基板処理装置によって希ガスをプラズマ励起し、プラズマ励起された前記希ガスによって前記被処理基板の表面に付着した付着層を除去するための表面処理を行う第１の工程と、
前記付着層が除去された表面を有する前記被処理基板上にフッ素添加カーボン膜を形成する第２の工程を含み、
前記基板処理装置は、
前記被処理基板に対面するように設けられたマイクロ波透過窓を有し、前記マイクロ波透過窓上に設けられた、マイクロ波電源が電気的に接続されたマイクロ波アンテナから、前記被処理基板上のプロセス空間に、前記マイクロ波窓を介してマイクロ波を導入し、前記希ガスを含むプラズマガスをプラズマ励起し、
前記プロセス空間は、導電材料構造物により前記マイクロ波透過窓に面する第１の空間と、前記被処理基板に面する第２の空間に分割され、前記第２の空間にフッ素添加カーボン膜を形成する原料となる処理ガスが供給されて、前記基板処理装置で前記第２の工程が行われ、
前記導電材料構造物は、前記処理ガスを前記第２の空間に供給する処理ガス供給部であり、
前記処理ガス供給部は処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部と、処理ガス通路と、前記処理ガス通路から前記処理容器内に連通した複数の処理ガス供給穴とを備えたことを特徴とするフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項２に記載したように、
前記第１の工程を前記被処理基板の表面にダメージを与えないように行うことを特徴とする請求項１記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項３に記載したように、
前記基板処理装置は、
外壁により画成され、前記被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
前記処理容器を排気する排気口とを有し、
前記マイクロ波透過窓は前記処理容器上に設置され、前記プラズマガスを供給するプラズマガス供給部が、前記処理容器と前記マイクロ波透過窓の間に挿入されて、前記外壁の一部を形成することを特徴とする請求項１または２記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項４に記載したように、
前記マイクロ波アンテナは同軸導波管により給電され、開口部を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体上に前記開口部を覆うように設けられた複数のスロットを有するマイクロ波放射面と、前記アンテナ本体と前記マイクロ波放射面との間に設けられた誘電体よりなることを特徴とした、請求項１〜３のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項５に記載したように、
前記希ガスはＡｒを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項６に記載したように、
前記希ガスはＫｒを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項７に記載したように、
前記希ガスはＸｅを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項８に記載したように、
前記第１の工程と前記第２の工程は、前記基板処理装置において、連続的に行われることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、また、
請求項９に記載したように、
前記第２の工程は前記第１の工程の後に実行され、前記第１の工程は、前記基板処理装置の前記処理ガスの供給を遮断した状態で実施されることを特徴とする請求項８記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法により、解決する。
［作用］
本発明によれば、プラズマ処理装置によって、被処理基板の表面処理を行うことにより、当該表面処理後に形成されるフッ素添加カーボン膜と被処理基板表面との密着力を向上させることが可能となる。
【００１７】
また、前記プラズマ処理装置は、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを用いているため、被処理基板表面にダメージを与える事無く、前記表面処理を行う事が可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
［原理］
まず、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法によって、当該フッ素添加カーボン膜が形成される下地膜と、当該フッ素添加カーボン膜の密着力が改善される原理を、図２（Ａ）〜（Ｃ）にもとづき、説明する。
【００１９】
フッ素添加カーボン膜は、半導体装置の配線層の間に形成される層間絶縁膜として用いられ、例えば半導体装置の配線層であるＣｕ層のキャップ層であるシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）上に形成されることが多い。
【００２０】
まず、図２（Ａ）を参照するに、図示しない被処理基板上に、フッ素添加カーボン膜の下地膜となるＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）２０１が形成されている。前記ＳｉＮ膜２０１上には、例えば水分、有機物、自然酸化膜などからなる付着層２０２が形成されている。前記付着層２０２は、典型的には０．１〜１ｎｍ程度のごく薄い層である。
【００２１】
前記付着層２０２は、例えば前記ＳｉＮ膜２０２を、水分や有機物の存在する大気に曝すなどすると形成されてしまうことが多い。通常、前記ＳｉＮ膜２０１を形成する装置と、前記ＳｉＮ膜２０１上にフッ素添加カーボン膜を形成する装置は異なるので、前記ＳｉＮ膜２０１が形成された被処理基板を、大気中を介して搬送する必要が有るため、前記したような付着層の形成を防止するのは非常に困難である。
【００２２】
そこで、本発明では、図２（Ｂ）に示すように、希ガスをマイクロ波プラズマ励起したイオン、ラジカルなどの反応種２０３によって、前記ＳｉＮ膜２０１上の前記付着層２０２を除去する下地膜の表面処理を行う。また、その際はプラズマの電子温度が高く、前記反応種中のイオンのエネルギが高いと、前記ＳｉＮ膜２０１にイオンが衝突するエネルギが大きくなり、前記ＳｉＮ膜２０１にダメージを与えてしまう場合がある。そのために、下地膜である前記ＳｉＮ膜２０１にダメージを与えず、かつ前記付着層２０２を除去することが必要であり、本発明においては、後述するマイクロ波プラズマを用いたプラズマ処理装置にて、低い電子温度となるマイクロ波プラズマにより処理して、前記ＳｉＮ膜２０１にダメージを与えずに処理することが可能になっている。
【００２３】
図２（Ｂ）の工程で前記付着層２０２を除去した後には、図２（Ｃ）に示すように、フッ素添加カーボン膜２０４を形成する。前記したように、図２（Ｂ）の工程において、前記ＳｉＮ膜２０１と前記フッ素添加カーボン膜２０４の密着力を低下させる原因となる付着層２０２が除去されているため、前記ＳｉＮ膜２０１と前記フッ素添加カーボン膜２０４は良好な密着力を保持することが可能となる。
【００２４】
次に、本発明の実施の形態について、図面に基づき、説明する。
［第１実施例］
図３には、本発明の第１実施例によるフッ素添加カーボン膜の形成方法のフローチャートを示す。図３を参照するに、本発明によるフッ素添加カーボン膜形成方法では、まずステップ１００（図中Ｓ１００と表記、以下同様）において処理が開始されると、ステップ２００において、前記したように被処理基板に形成された、フッ素添加カーボン膜の下地膜の表面処理を行って、下地膜の表面に形成された付着層の除去を行う。
【００２５】
次に、ステップ３００において、付着層が除去された下地膜上に、フッ素添加カーボン膜を形成して、ステップ４００にて処理を終了する。
【００２６】
前記したように、本発明のフッ素添加カーボン膜の形成方法では、大別して、下地膜の表面の付着層を除去する表面処理工程Ｐと、フッ素添加カーボン膜を形成する成膜工程Ｄからなる。
【００２７】
次に、前記表面処理工程Ｐおよび前記成膜工程Ｄを実施するプラズマ処理装置について説明する。
［第２実施例］
まず、前記表面処理工程Ｐ、および前記成膜工程Ｄを行うプラズマ処理装置１０を、図４（Ａ），（Ｂ）、図５に基づき、説明する。
【００２８】
まず、図４（Ａ）を参照するに、前記プラズマ処理装置１０は処理容器１１と、前記処理容器１１内に設けられ、被処理基板１２を静電チャックにより保持する好ましくは熱間等方圧加圧法（ＨＩＰ）により形成されたＡｌＮもしくはＡｌ2Ｏ3よりなる保持台１３とを有する。
【００２９】
前記処理容器１１内は、略円筒状の内部隔壁１５によって前記保持台１３の中心に近い中心部の空間と、前記内部隔壁１５と前記処理容器の間に形成される空間１１Ｃに分割される。また、前記した中心部の空間は、後述する処理ガス供給構造２４の格子状のガス通路２４Ａによって、前記保持台１３に近い側の空間１１Ｂと、前記空間１１Ｂに当該処理ガス供給構造２４を隔てて対向する空間１１Ａに大別される。
【００３０】
前記処理容器１１内を形成する前記空間１１Ａ，１１Ｂ，および１１Ｃは、前記保持台１３を囲むように等間隔に、すなわち前記保持台１３上の被処理基板１２に対して略軸対称な関係で少なくとも二箇所、好ましくは三箇所以上に形成された排気ポート１１Ｄを介して真空ポンプなどの排気手段により、排気・減圧される。
【００３１】
前記処理容器１１は好ましくはＡｌを含有するオーステナイトステンレス鋼よりなり、内壁面には酸化処理により酸化アルミニウムよりなる保護膜が形成されている。また前記処理容器１１の外壁のうち前記被処理基板１２に対応する部分にはマイクロ波を透過するマイクロ波透過窓１７が設置され、また前記マイクロ波透過窓１７と前記処理容器１１の間には、プラズマガスを導入するプラズマガス導入リング１４が挿入されて、それぞれ前記処理容器１１の外壁を画成している。
【００３２】
前記マイクロ波透過窓１７はその周縁部に段差形状を有し、当該段差形状部が前記プラズマガス導入リング１４に設けられた段差形状と係合し、さらにシールリング１６Ａによって前記処理空間１１内の気密が保持される構造となっている。
【００３３】
前記プラズマガス導入リングにはプラズマガス導入口１４Ａよりプラズマガスが導入され、略環状に形成されたガス溝１４Ｂ中を拡散する。前記ガス溝１４Ｂ中のプラズマガスは、前記ガス溝１４Ｂに連通する複数のプラズマガス穴１４Ｃから、さらに前記プラズマガス導入リング１４に取り付けられた前記内部隔壁１５に形成されたプラズマガス供給穴１５Ｂを介して前記空間１１Ａに供給される。
【００３４】
前記内部隔壁１５は略円筒状の導電体、例えばステンレス合金からなり、前記内部隔壁１５の外側、すなわち前記処理容器１１の外壁に対向する面にはヒータ１５Ｂが設置されて前記内部隔壁１５を加熱することが可能となっている。さらに前記内部隔壁１５は電気的に前記プラズマガス導入リング１４に接続されて当該プラズマガス導入リング１４を介して接地される構造となっている。
【００３５】
また、前記マイクロ波透過窓１７は、ＨＩＰ法により形成された緻密なＡｌ2Ｏ3よりなる。かかるＨＩＰ法により形成されたＡｌ2Ｏ3のマイクロ波透過窓１７は、Ｙ2Ｏ3を焼結助剤として使って形成され、気孔率が０．０３％以下で実質的に気孔やピンホールを含んでおらず、３０Ｗ／ｍ・Ｋに達する、ＡｌＮには及ばないものの、セラミックとしては非常に大きな熱伝導率を有する。
【００３６】
前記マイクロ波透過窓１７上には、前記マイクロ波透過窓１７に密接し図４（Ｂ）に示す多数のスロット１８ａ，１８ｂを形成されたディスク状のスロット板１８と、前記スロット板１８を保持するディスク状のアンテナ本体２２と、前記スロット板１８と前記アンテナ本体２２との間に挟持されたＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ2あるいはＳｉ3Ｎ4の低損失誘電体材料よりなる遅相板１９とにより構成されたラジアルラインスロットアンテナ３０が設けられている。
【００３７】
前記ラジアルスロットラインアンテナ３０は前記処理容器１１上に前記プラズマガス導入リング１４を介して装着されており、前記ラジアルラインスロットアンテナ３０には同軸導波管２１を介して外部のマイクロ波源（図示せず）より周波数が２．４５ＧＨｚあるいは８．３ＧＨｚのマイクロ波が供給される。
【００３８】
供給されたマイクロ波は前記スロット板１８上のスロット１８ａ，１８ｂから前記マイクロ波透過窓１７を介して前記処理容器１１中に放射され、前記マイクロ波透過窓１７直下の空間１１Ａにおいて、前記プラズマガス供給穴１５Ａから供給されたプラズマガス中にプラズマを励起する。励起されたプラズマは前記処理容器１１に設けられた例えば石英、サファイアなどからなる測定窓２５より観察または発光の分光などの測定が可能な構造となっている。
【００３９】
前記ラジアルラインスロットアンテナ３０と前記プラズマガス導入リングの間はシールリング１６Ｂによって密封されており、前記ラジアルラインスロットアンテナ３０と前記マイクロ波透過窓１７との密着性を向上させるため、前記スロット板１８と前記マイクロ波透過窓１７との間に形成された隙間を真空ポンプ(図示せず)で減圧することにより、大気圧によって前記ラジアルラインスロットアンテナ３０を前記マイクロ波透過窓１７にしっかりと押し付けることが可能になる。
【００４０】
前記同軸導波管２１Ａのうち、外側の導波管２１Ａは前記ディスク状のアンテナ本体２２に接続され、中心導体２１Ｂは、前記遅波板１９に形成された開口部を介して前記スロット板１８に接続されている。そこで前記同軸導波管２１Ａに供給されたマイクロ波は、前記アンテナ本体２２とスロット板１８との間を径方向に進行しながら、前記スロット１８ａ，１８ｂより放射される。
【００４１】
図４（Ｂ）は前記スロット板１８上に形成されたスロット１８ａ，１８ｂを示す。
【００４２】
図４（Ｂ）を参照するに、前記スロット１８ａは同心円状に配列されており、各々のスロット１８ａに対応して、これに直行するスロット１８ｂが同じく同心円状に形成されている。前記スロット１８ａ，１８ｂは、前記スロット板１８の半径方向に、前記遅相板１９により圧縮されたマイクロ波の波長に対応した間隔で形成されており、その結果マイクロ波は前記スロット板１８から略平面波となって放射される。その際、前記スロット１８ａおよび１８ｂを相互の直交する関係で形成しているため、このようにして放射されたマイクロ波は、二つの直交する偏波成分を含む円偏波を形成する。
【００４３】
さらに図４（Ａ）のプラズマ処理装置１０では、前記アンテナ本体２２上に、冷却水通路２０Ａを形成された冷却ブロック２０が形成されており、前記冷却ブロック２０を前記冷却水通路２０Ａ中の冷却水により冷却することにより、前記マイクロ波透過窓１７に蓄積された熱を、前記ラジアルラインスロットアンテナ３０を介して吸収する。前記冷却水通路２０Ａは前記冷却ブロック２０上においてスパイラル状に形成されており、好ましくはＨ2ガスをバブリングすることで溶存酸素を排除して且つ酸化還元電位を制御した冷却水が通される。
【００４４】
また、図４（Ａ）のプラズマ処理装置１０では、前記処理容器１１中、前記マイクロ波透過窓１７と前記保持台１３上の被処理基板１２との間に、導体からなり、処理ガス導入路２３に支持されて起立するように設置された処理ガス供給構造２４が設置されている。前記処理ガス導入路２３には、前記処理容器１１の外壁に設けられた処理ガス注入口（図示せず）より処理ガスが導入される構造となっている。
【００４５】
前記処理ガス供給構造２４は、処理ガス導入路２３に連通する格子状の処理ガス通路２４Ａを有し、さらに前記処理ガス通路２４Ａから前記空間１１Ｂに連通する多数の処理ガス供給穴２４Ｂより処理ガスを前記空間１１Ｂに供給し、前記空間１１Ｂにおいて、所望の均一な基板処理がなされる。
【００４６】
図５は、図４（Ａ）の処理ガス供給構造２４の構成を示す底面図である。
【００４７】
図５を参照するに、前記処理ガス供給構造２４は例えばＭｇを含んだＡｌ合金やＡｌ添加ステンレススチール等の導電体より構成されており、格子状の前記処理ガス通路２４Ａは前記処理ガス導入路２３に接続されて処理ガスを供給され、下面形成された多数の前記処理ガス供給穴２４Ｂから処理ガスを前記空間１１Ｂに均一に放出する。また、前記処理ガス導入路２３は導体よりなり、前記処理ガス供給機構２４は電気的に前記処理ガス導入路２３に接続されて当該処理ガス導入路２３を介して接地される構造となっている。
【００４８】
また、前記処理ガス供給構造２４には、隣接する処理ガス通路２４Ａの間にプラズマやガスを通過させる開口部２４Ｃが形成されている。前記処理ガス供給構造２４をＭｇ含有Ａｌ合金により形成する場合には、表面に弗化物膜を形成しておくのが好ましい。また前記処理ガス供給構造２４をＡｌ添加ステンレススチールにより形成する場合には、表面に酸化アルミニウムの不動態膜を形成しておくのが望ましい。本発明によるプラズマ処理装置１０では、励起されるプラズマ中の電子温度が低いためプラズマの入射エネルギが小さく、かかる処理ガス供給構造２４がスパッタリングされて被処理基板１２に金属汚染が生じる問題が回避される。
【００４９】
前記格子状の処理ガス通路２４Ａおよび処理ガス供給穴２４Ｂは図５に破線で示した被処理基板１２よりもやや大きい領域をカバーするように設けられている。かかる処理ガス供給構造２４を前記マイクロ波透過窓１７と被処理基板１２との間に設けることにより、前記処理ガスをプラズマ励起し、かかるプラズマ励起された処理ガスにより、均一に処理することが可能になる。
【００５０】
前記処理ガス供給構造２４を金属等の導体により形成する場合には、前記格子状処理ガス通路２４Ａ相互の間隔を前記マイクロ波の波長よりも短く設定することにより、前記処理ガス供給構造２４はマイクロ波の短絡面を形成する。
【００５１】
この場合にはプラズマのマイクロ波励起は前記空間１１Ａ中においてのみ生じ、前記被処理基板１２の表面を含む空間１１Ｂにおいては前記励起空間１１Ａから拡散してきたプラズマにより、処理ガスが活性化される。また、プラズマ着火時に前記被処理基板１２が直接マイクロ波に曝されるのを防ぐことが出来るので、マイクロ波による基板の損傷も防ぐことが出来る。
【００５２】
本実施例によるプラズマ処理装置１０では、処理ガス供給構造２４を使うことにより処理ガスの供給が一様に制御されるため、処理ガスの被処理基板１２表面における過剰解離の問題を解消することができ、被処理基板１２の表面にアスペクト比の大きい構造が形成されている場合でも、所望の基板処理を、かかる高アスペクト構造の奥にまで実施することが可能である。すなわち、プラズマ処理装置１０は、設計ルールの異なる多数の世代の半導体装置の製造に有効である。
［第３実施例］
次に、前記プラズマ装置１０を用いた具体的なフッ素添加カーボン膜の形成方法に関して、図６のフローチャートに示す。図６は、図２（Ａ）〜（Ｃ）および図３に示したフッ素添加カーボン膜の形成方法を、具体的に示したものである。
【００５３】
図６を参照するに、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法は、前記したように、被処理基板の表面処理工程Ｐおよび表面処理後の被処理基板表面にフッ素添加カーボン膜の成膜を行う成膜工程Ｄからなる。
【００５４】
まず、ステップ５００にて処理が開始されると、ステップ５１０において、第１のプラズマガスとして、前記プラズマガス供給リング１４から、Ａｒガスが、４００ｓｃｃｍ導入される。
【００５５】
次に、ステップ５２０において、前記ラジアルラインスロットアンテナ３０から、前記マイクロ波導入窓１７を介して前記処理容器１１内にマイクロ波が導入されて、マイクロ波プラズマが励起される。その際に、マイクロ波は、前記ラジアルラインスロットアンテナ３０を用いているため、前記スロット板１８から略平面波となって放射され、さらに二つの直行する偏波成分を含む円偏波を形成するため、高密度で、かつ電子温度が低いプラズマを励起することが可能となる。
【００５６】
そのため、ステップ５３０において、基板表面処理に必要なＡｒイオンを含む反応種が十分に生成され、おもにＡｒイオンによるスパッタリングによって前記ＳｉＮ層２０１上の前記付着層２０２を除去することが可能になる。さらに電子温度が低いために当該Ａｒイオンが前記ＳｉＮ膜２０１に衝突するエネルギーが低く抑えられるため、前記ＳｉＮ膜２０１にダメージを与えることが無い。このように、例えばＳｉＮ膜などのフッ素添加カーボン膜の下地膜にダメージを与えないためには、イオンのエネルギが６ｅＶ程度以下となるような低い電子温度のプラズマが必要とされる。
【００５７】
本ステップにおいては、マイクロ波パワー１８００Ｗ，Ａｒ流量４００ｓｃｃｍ、圧力１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）で２０秒間処理を行うことにより、前記ＳｉＮ膜２０１にダメージを与えることなく、当該ＳｉＮ膜２０１上の水分や有機物、自然酸化膜などの前記付着層２０２を除去することが可能となる。この場合のＡｒイオンのエネルギは５．６ｅＶであり、ＳｉＮ膜にダメージを与えることがない。
【００５８】
次に、ステップ５４０でマイクロ波導入と、プラズマガス供給を停止して表面処理工程Ｐを終了する。
【００５９】
次に、表面処理を終了して清浄になった前記ＳｉＮ膜２０１上に、フッ素添加カーボン膜を形成する成膜工程Ｄを開始する。
【００６０】
ステップ５５０において成膜工程Ｄが開始されると、まず、第２のプラズマガスとして、ＡｒとＨ2がそれぞれ６００ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍ、前記プラズマガス供給リング１４から前記処理容器１１内に導入される。
【００６１】
次に、ステップ５６０でマイクロ波を導入して、前記ステップ５２０に前記したようにプラズマを励起した後、ステップ５７０において、前記処理ガス供給構造２４から、処理ガスであるフロロカーボン系のガス、例えばＣ4Ｆ8を３０ｓｃｃｍ導入して、フッ素添加カーボン膜の成膜が開始される。
【００６２】
ステップ５８０では、Ａｒ流量６００ｓｃｃｍ、Ｈ2流量４０ｓｃｃｍ、Ｃ4Ｆ8流量３０ｓｃｃｍ、マイクロ波パワー２０００Ｗにて、成膜処理を行うことにより、成膜速度３４０ｎｍ／ｍｉｎで、前記ＳｉＮ膜２０１上に、誘電率２．１程度のフッ素添加カーボン膜２０４を形成する。その際、前記したように、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを用いることによって、誘電率の低い、膜質の良好なフッ素添加カーボン膜を形成することが可能となる。
【００６３】
次に、ステップ５９０でプラズマガス、処理ガスおよびマイクロ波の導入を停止し、ステップ６００で処理を終了する。
【００６４】
前記したように、フッ素添加カーボン膜が形成される下地膜となる前記ＳｉＮ膜２０１上から、前記付着層２０２が除去されているため、ステップ５９０において形成されるフッ素添加カーボン膜２０４と前記ＳｉＮ膜２０１の密着性は良好となり、さらに前記したようにフッ素添加カーボン膜の下地にはダメージの影響がない。
【００６５】
前記の理由により、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法により形成されたフッ素添加カーボン膜は、半導体装置の製造工程における熱処理工程やＣＭＰ工程に耐えうる密着力を確保し、低誘電率層間絶縁膜として半導体装置に用いることが可能となる。
【００６６】
また、本発明において、前記ステップ５１０でＡｒを導入しているが、プラズマ励起した場合にさらにイオンのエネルギを低く抑えることが可能な、ＫｒやＸｅを用いてもよい。例えば、本実施例においてＡｒの換わりにＫｒを用いた場合、イオンエネルギが３．９ｅＶ、Ｘｅを用いた場合では２．９ｅＶに抑えることが可能であり、ＳｉＮ膜へのダメージを抑えるのにさらに有効である。
【００６７】
また、本発明によってフッ素添加カーボン膜との密着性が改善される下地膜は、ＳｉＮ膜（シリコン窒化膜）に限らない。下地膜として、例えば、Ｓｉ，ＳｉＯ２,ＳｉＯＮ，ＳｉＯＣ，ＳｉＣＯ（Ｈ），Ｗ，ＷＮ，Ｔａ，ＴａＮ，Ｔｉ，ＴｉＮ，Ｃｕ，Ａｌ、その他スピンコート法で形成される絶縁膜（ＳＯＤ膜）などの絶縁膜や、金属膜、金属窒化膜、金属酸化膜などを用いて、当該下地膜の上にフッ素添加カーボン膜を形成する場合においても、本実施例と同様に下地膜にダメージを受けることなく、フッ素添加カーボン膜と下地膜の密着力を向上させることが可能である。
［第４実施例］
また、図６に示したフッ素添加カーボン膜の形成方法は、次に図７に示すように変更しても、第３実施例に示した場合と同様の効果を奏する。
【００６８】
図７は、本発明の第４実施例よるフッ素添加カーボン膜の形成方法を示すフローチャートである。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６９】
本実施例のステップ５００〜５３０およびステップ５７０〜６００までは、図６に示した場合と同一である。
【００７０】
本実施例においては、ステップ５６０Ａにおいて、プラズマガスの切替を行っている。これは、前のステップ５３０において、前記付着層２０２を除去する表面処理が終了すると、次のフッ素添加カーボン膜の成膜処理のため、前記第１のプラズマガスから前記第２のプラズマガスに切り替える処理を行っていることを示している。
【００７１】
具体的には、前のステップ５３０において第１のプラズマガスとしてＡｒを４００ｓｃｃｍ供給していた状態から、第２のプラズマガスとしてＡｒと共にＨ2を導入するようにし、ＡｒとＨ2の流量をそれぞれ、６００ｓｃｃｍ、４０ｓｃｃｍとしている。その後、連続的にフッ素添加カーボン膜の成膜へと移行している。
【００７２】
このように、プラズマを励起したままでガスを切り替えることにより、連続的に、表面処理工程Ｐから成膜工程Ｄへと移行することが可能であり、基板処理時間を短縮して効率的にフッ素添加カーボン膜の形成を行う事が可能となる。
【００７３】
本実施例においても、フッ素添加カーボン膜の下地膜にダメージを与えることなく、かつ当該下地膜と密着力が良好なフッ素添加カーボン膜を形成することが可能となる。
［第５実施例］
次に、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法により、下地膜とフッ素添加カーボン膜との密着力が向上した結果を以下に説明する。
【００７４】
まず、図８にはフッ素添加カーボン膜の密着力の測定方法を示す。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。例えば、図２（Ｃ）に前記した、被処理基板上のＳｉＮ膜上に形成されたフッ素添加カーボン膜の密着力を測定する場合、まず図８に示すように、前記フッ素添加カーボン膜２０４上に、所定の接着剤で試験棒２０５を固定する。そして、被処理基板を固定した状態で、前記試験棒２０５に、被処理基板から離れる方向の加重を加えてフッ素添加カーボン膜２０４が剥離した時の加重を密着力とした。
【００７５】
図９には、図８に示した密着力測定方法によって測定したフッ素添加カーボン膜と下地膜の密着力の測定結果を示す。実験は、図６に示した本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法によって形成した場合と、図６におけるステップ５００〜５５０の工程を行わなかった場合、すなわち下地膜の表面処理を行わなかった場合について行い、それらの結果を比較した。
【００７６】
また、実験は前記２通りの場合について、Ｓｉ基板上に形成されたＳｉＮ膜上にフッ素添加カーボン膜の形成を行った場合と、Ｓｉ基板上に直接フッ素添加カーボン膜を形成した場合について、それぞれ行った。
【００７７】
図９を参照するに、ＳｉＮ膜上にフッ素添加カーボン膜を形成する場合およびＳｉ基板上に直接フッ素添加カーボン膜を形成する場合のそれぞれの場合において、図６のステップ５００〜５５０に示した表面処理を行うことにより、フッ素添加カーボン膜と下地の密着力が大幅に改善されていることがわかる。
【００７８】
例えば、ＳｉＮ膜上にフッ素添加カーボン膜を形成する場合、ＳｉＮ膜の表面処理を行わない場合は密着力が３２ＭＰａであるのに対して、表面処理を行うと、密着力が４８ＭＰａと向上していることがわかる。
【００７９】
これは、前記したようにフッ素添加カーボン膜の下地上の水分や有機物、自然酸化膜などが除去されることによってフッ素添加カーボン膜とＳｉＮ膜の密着力が向上するためと考えられる。
【００８０】
また、下地膜はＳｉＮ膜やＳｉに限らず、例えば他の絶縁膜、酸化膜、窒化膜、酸窒化膜、金属膜、金属酸化膜、金属窒化膜などを下地膜に用いた場合も、下地膜がダメージを受けることなく、フッ素添加カーボン膜と下地膜の密着力を向上させることが可能となる。
【００８１】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、プラズマ処理装置によって、被処理基板の表面処理を行うことにより、当該表面処理後に形成されるフッ素添加カーボン膜と被処理基板表面との密着力を向上させることが可能となった。
【００８３】
また、前記プラズマ処理装置は、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを用いているため、被処理基板表面にダメージを与える事無く、前記表面処理を行う事が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）〜（Ｃ）は、フッ素添加カーボン膜が剥離する状態を示した図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法を、模擬的に示した図である。
【図３】本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法を示したフローチャート（その１）である。
【図４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法を実施するプラズマ処理装置の概略図である。
【図５】図４のプラズマ処理装置で用いる処理ガス供給構造の底面図である。
【図６】本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法を示したフローチャート（その２）である。
【図７】本発明によるフッ素添加カーボン膜の形成方法を示したフローチャート（その３）である。
【図８】フッ素添加カーボン膜の密着力の測定方法を模擬的に示した図である。
【図９】フッ素添加カーボン膜の密着力の測定結果を示した図である。
【符号の説明】
１０ プラズマ処理装置
１１ 処理容器
１１Ｄ 排気ポート
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ 空間
１２ 被処理基板
１３ 保持台
１４ プラズマガス導入リング
１４Ａ プラズマガス導入口
１４Ｂ ガス溝
１４Ｃ プラズマガス穴
１５ 内部隔壁
１５Ａ プラズマガス供給穴
１５Ｂ ヒータ
１６Ａ，１６Ｂ シールリング
１７ マイクロ波透過窓
１８ スロット板
１８ａ，１８ｂ スロット
１９ 遅相板
２０ 冷却水ブロック
２０Ａ 冷却水通路
２１，１１０Ａ 同軸導波管
２１Ａ 外側導波管
２１Ｂ 内側給電線
２２，１１０Ｂ アンテナ本体
２３ 処理ガス導入路
２４ 処理ガス供給構造
２４Ａ 処理ガス通路
２４Ｂ 処理ガス教習穴
２４Ｃ 開口部
２５ 測定窓
３０ ラジアルラインスロットアンテナ
１０１，２０１ シリコン窒化膜
１０２，２０２ 付着層
１０３，２０４ フッ素添加カーボン膜
２０３ 反応種

Claims (9)

  1. 被処理基板上にフッ素添加カーボン膜を形成するフッ素添加カーボン膜の形成方法であって、
    基板処理装置によって希ガスをプラズマ励起し、プラズマ励起された前記希ガスによって前記被処理基板の表面に付着した付着層を除去するための表面処理を行う第１の工程と、
    前記付着層が除去された表面を有する前記被処理基板上にフッ素添加カーボン膜を形成する第２の工程を含み、
    前記基板処理装置は、
    前記被処理基板に対面するように設けられたマイクロ波透過窓を有し、前記マイクロ波透過窓上に設けられた、マイクロ波電源が電気的に接続されたマイクロ波アンテナから、前記被処理基板上のプロセス空間に、前記マイクロ波窓を介してマイクロ波を導入し、前記希ガスを含むプラズマガスをプラズマ励起し、
    前記プロセス空間は、導電材料構造物により前記マイクロ波透過窓に面する第１の空間と、前記被処理基板に面する第２の空間に分割され、前記第２の空間にフッ素添加カーボン膜を形成する原料となる処理ガスが供給されて、前記基板処理装置で前記第２の工程が行われ、
    前記導電材料構造物は、前記処理ガスを前記第２の空間に供給する処理ガス供給部であり、
    前記処理ガス供給部は処理容器内に形成されたプラズマを通過させる複数の開口部と、処理ガス通路と、前記処理ガス通路から前記処理容器内に連通した複数の処理ガス供給穴とを備えたことを特徴とするフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  2. 前記第１の工程を前記被処理基板の表面にダメージを与えないように行うことを特徴とする請求項１記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  3. 前記基板処理装置は、
    外壁により画成され、前記被処理基板を保持する保持台を備えた処理容器と、
    前記処理容器を排気する排気口とを有し、
    前記マイクロ波透過窓は前記処理容器上に設置され、前記プラズマガスを供給するプラズマガス供給部が、前記処理容器と前記マイクロ波透過窓の間に挿入されて、前記外壁の一部を形成することを特徴とする請求項１または２記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  4. 前記マイクロ波アンテナは同軸導波管により給電され、開口部を有するアンテナ本体と、前記アンテナ本体上に前記開口部を覆うように設けられた複数のスロットを有するマイクロ波放射面と、前記アンテナ本体と前記マイクロ波放射面との間に設けられた誘電体よりなることを特徴とした、請求項１〜３のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  5. 前記希ガスはＡｒを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  6. 前記希ガスはＫｒを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  7. 前記希ガスはＸｅを含むことを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  8. 前記第１の工程と前記第２の工程は、前記基板処理装置において、連続的に行われることを特徴とする請求項１〜７のうち、いずれか１項記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
  9. 前記第２の工程は前記第１の工程の後に実行され、前記第１の工程は、前記基板処理装置の前記処理ガスの供給を遮断した状態で実施されることを特徴とする請求項８記載のフッ素添加カーボン膜の形成方法。
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